Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci z AMOLF, Max Planck Institute for the Science of Light, the University of Basel, ETH Zurich a University of Vienna vytvořili metamateriál, kterým proudí zvukové vlny dosud neznámým způsobem. Poskytuje novou formu zesílení mechanických vibrací, jež má potenciál zlepšit technologii senzorů a zařízení pro zpracování informací.
Tento metamateriál je prvním případem takzvaného „bosonového Kitajevova řetězce“, který zvláštní vlastnosti získává díky své povaze topologického materiálu. Byl realizován tak, že nanomechanické rezonátory interagují s laserovým světlem prostřednictvím tlakových sil záření.
Kitajevův řetězec představuje teoretický model, který popisuje fyziku elektronů v supravodivém materiálu, konkrétně v nanovodiči. Model je známý tím, že předpovídá existenci zvláštních excitací na koncích takového nanodrátu: tzv. Majoranovy nulové módy. Ty si získaly intenzivní zájem kvůli jejich možnému využití v kvantových počítačích.
Vedoucí skupiny AMOLF Ewold Verhagen uvedl: „Zajímal nás model, který vypadá matematicky stejně, ale místo elektronů popisuje vlny jako světlo nebo zvuk. Protože se takové vlny skládají z bosonů (fotonů nebo fononů), a nikoli z fermionů (elektronů), očekává se, že jejich chování bude velmi odlišné. V roce 2018 bylo předpovězeno, že bosonový Kitajevův řetězec vykazuje fascinující chování, které není známo u žádného přírodního materiálu, ale ani u žádného dosavadního metamateriálu. Přestože to mnoho vědců zaujalo, experimentální realizace zůstávala v nedohlednu.“
Bosonový Kitajevův řetězec je v podstatě řetěz spřažených rezonátorů. Jedná se o metamateriál, tj. syntetický materiál se speciálními vlastnostmi: rezonátory si lze představit jako atomy materiálu a způsob, jakým jsou vzájemně spřaženy, řídí kolektivní chování metamateriálu; v tomto případě šíření zvukových vln podél řetězce.
„Spoje – články bosonového Kitajevova řetězce – musí být speciální a nelze je vytvořit například pomocí běžných pružin,“ říká první autor článku v časopise Nature Jesse Slim. „Uvědomili jsme si, že můžeme experimentálně vytvořit potřebné vazby mezi nanomechanickými rezonátory – malými vibrujícími křemíkovými strunami na čipu – a spojit je pomocí sil vytvářených světlem, čímž vytvoříme jakési optické pružiny. Pečlivé měnění intenzity laseru v čase pak umožnilo propojit pět rezonátorů a realizovat bosonový Kitajevův řetězec.“
„Výsledek byl ohromující. Optická vazba matematicky připomíná supravodivé články ve fermionovém Kitajevově řetězci,“ říká E. Verhagen. „Nenabité bosony však nevykazují supravodivost; místo toho optická vazba přidává k nanomechanickým vibracím zesílení. Výsledkem je, že zvukové vlny, což jsou mechanické vibrace šířící se soustavou, jsou exponenciálně zesilovány od jednoho konce k druhému.“
Zajímavé je, že v opačném směru je přenos vibrací zakázán. A ještě zajímavěji pak vypadá, že pokud se vlna trochu zpozdí – o čtvrtinu periody kmitů – chování systému se zcela obrátí: signál je zesílen směrem dozadu a naopak zablokován v původním směru („dopředu“). Bosonový Kitajevův řetězec se tedy chová jako jedinečný typ směrového zesilovače, který by mohl mít zajímavé využití pro manipulaci se signálem, zejména v kvantové technologii.
Ewold Verhagen, Optomechanical realization of the bosonic Kitaev chain, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07174-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07174-w
Zdroj: AMOLF/Phys.org, přeloženo / zkráceno
